Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis)
Universidad Autónoma Gabriel René Moreno Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología
Carrera de Ingeniería Petrolera
Tema: Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis) Elaborado por los estudiantes: Quiroga Mejia Luís Mauricio Cuizara Quispe Graciela Dávalos Guerrero Juan Carlos Pinto Calvimontes Alvaro Daniel
Santa Cruz – Bolivia
Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis) ( Pirolisis)
•
Introducción:
Este documento contiene una explicación para poder reducir los residuos sólidos que cada vez dañan nuestro medio ambiente tomando como alternativa en dicho tema el proceso proceso de pirólisis pirólisis donde se priorizan priorizan las diferentes diferentes acciones acciones para mejorarlos, mejorarlos, las cuales pueden ser preventivas como correctivas.
•
Objetivos:
1.- El objetivo de las plantas de pirolisis de residuos es la obtención de combustibles. Los Lo s co comb mbus usti tible bles s lo logr grad ados os pu pued eden en se serr ga gase ses s o só sóli lido dos. s. La pr prop opor orci ción ón de es esto tos s combusti com bustibles bles pued puede e mod modifica ificarse rse en func función ión de los residuos residuos de par partida. tida. Esta últim última a característica característic a aporta una cierta flexibilidad a la pirólisis.
2.- Proponer metodologías donde se pueda mejorar algunos aspectos que contaminan el medio ambiente como ejemplo la reducción de materiales que contienen cloro y cobre que forman dioxinas y furanos en condiciones de pirolisis .
•
Aspectos generales de la Pirolisis
Entre las delimitaciones podemos mencionar:
•
La piróli pirólisis sis, un proces proceso o térmi térmico co sin oxíge oxígeno no que que convi conviert erte e a los
residuos residuos sólidos en combusti combustibles bles gaseoso gaseosos, s, líquidos líquidos y sólidos sólidos.. Utilizado Utilizado a nivel nivel indust industria rial, l, no estar estaría ía demas demasiad iado o difund difundido ido para para el tratam tratamien iento to de la basura basura domiciliaria.
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El costo para un municipio no supera los 10 dólares por tonelada y la
basu basura ra es separa separada da manua manuall y me mecán cánica icamen mente te para para su recicl reciclaje aje y trata tratami mient ento o térmico al momento de ingresar a la Planta Térmica.
•
Se pr prec ecis isa a de la co cola labo bora raci ción ón en entr tre e la las s pr prop opia ias s in inst stal alac acio ione nes s
genera gen erador doras as del co comb mbust ustible ible y los po poten tencia ciales les us usua uario rios s del ca carbó rbón n pir pirolí olític tico, o, generalmente plantas de cemento.
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El grado de contaminación dependerá de la cantidad de residuos
tratados, del tipo de técnica y de cómo se lleve a cabo.
•
La generación de coque (char) de difícil reutilización. Posibilidad de
formación de productos tóxicos intermedios.
Alcancé de la Pirolisis •
El calor calor req requer uerido ido para para la piróli pirólisis sis es genera generado do por por combus combustib tibles les
tradicionales (gas natural, petróleo, etc.), o mediante el uso de electricidad para crear plasmas de altas temperaturas.
•
Las diversas técnicas de plantas térmicas y pirólisis pueden producir
residuos sólidos o líquidos en varias de sus fases. Muchos gestores opinan que estos estos mater material iales es no son son residu residuos os que req requie uieran ran elimin eliminaci ación, ón, sino sino produc productos tos utilizables. Sin embargo, en muchos casos, tal afirmación sigue sin ser demostrada y cualq cualquie uierr comp compara aració ción n de las diver diversas sas opcion opciones es de tratam tratamien iento to de residu residuos os debería considerar las emisiones al aire, el agua y la tierra.
•
El rendimiento económico de esta actividad está relacionado con la
reducción del uso de vertederos para residuos, y el consiguiente ahorro que ello supone.
•
Otra Ot ra po posib sibili ilidad dad eco económ nómica ica tie tiene ne que ver co con n la pr prod oducc ucción ión de
energía eléctrica, térmica o de combustibles alternativos a partir del gas o de los aceites pirolíticos.
•
La piróli pirólisis sis es una una forma forma de tratam tratamien iento to terma termall para para red reduci ucirr el
volumen de los residuos y producir combustibles como subproductos. También ha sido utilizada para producir un combustible sintético para motores de ciclo diésel a partir de residuos plásticos.
•
Muy Mu y
baja baja em emis isió ión n
de part partíc ícu ulas. las. Posi Posibi bili lida dad d
de apli aplica caci ción ón al
tratamiento de suelos contaminantes. Los gases de síntesis son fáciles de usar en el propio proceso.
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Justificación:
La aplicación de la pirolisis al tratamiento de residuos ha ganado aceptación en la industria junto con otras tecnologías avanzadas de tratamiento de residuos pero no
los elimina sino que los transforma en carbón, agua, otros residuos líquidos, partículas y metales pesados, cenizas tóxicas en algunos casos; vertiendo al aire desde sustancias relativamente inocuas hasta muy tóxicas y reduciendo así su volumen. Esta destilación destructiva obviamente imposibilita el reciclado o la reutilización.
La pirolisis se puede utilizar también como una forma de tratamiento termal para reducir el volumen de los residuos y producir combustibles como subproductos. También ha sido utilizada para producir un combustible sintético para motores de ciclo diésel a partir de residuos plásticos.
•
El
proceso
de
pirólisis,
comparado con
la combustión
y
la
gasificación, es que un combustible líquido es más fácil de transportar que un combustible en estado sólido o gaseoso. Esto significa que la planta de pirólisis no tiene que estar localizada cerca del punto de destino-uso, sino que puede situarse cerca de la fuente de materias primas, por lo que los costes de transporte son menos elevados.
•
La pirólisis en comparación con el proceso de gasificación y la
incineración en masa es la mayor recuperación de metales. Este proceso elimina todos los materiales de base orgánica a menudo encontrados en los metales – etiquetas, corchos, residuos de comida, etc. Además, la atmósfera reductora conserva los metales en un estado no oxidado y se recuperan fácilmente metales de alto valor, como el aluminio.
•
La pirolisis es que no permite la formación de dioxinas debido a la
ausencia de oxígeno y el uso de temperaturas superiores a 400ºC.
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•
Marco Teórico:
La Pirolisis es la descomposición química de materia orgánica causada por el calentamiento en ausencia de oxígeno u otros reactivos, excepto posiblemente el vapor de agua. La pirólisis extrema, que sólo deja carbono como residuo, se llama carbonización. La pirólisis es un caso especial de termólisis. Esta descomposición de la materia orgánicas se da a altas temperaturas (550 ºC – 1000 ºC) y en ausencia de oxígeno.
La pirolisis convierte a los residuos sólidos en combustibles gaseosos, líquidos y sólidos. Esta destilación anaeróbica origina coque, alquitrán, aceites ligeros, gases inertes combustibles, ácidos orgánicos y alcohol.
División de la pirolisis .Debido a la aportación de calor al proceso se divide a la pirólisis en dos grandes grupos:
Sistemas alotérmicos: En este tipo de sistema la transmisión de calor se lleva a cabo por conducción y radiación de las paredes, o sea indirecto. La fuente de energía suele ser la combustión de parte de los gases producidos o bien del propio Coque o Char; existe algún proceso en el que la aportación de calor se realiza mediante introducción de sólido inerte precalentado en otro dispositivo a parte.
Sistemas auto térmicos: Aquí la energía la proporciona la combustión de parte de la carga. También se llaman proceso de calentamiento directo.
Desde el punto de vista operativo , los procesos de pirólisis pueden encuadrarse en tres grandes bloques: •
Pirólisis convencional
•
Pirólisis rápida (fast pyrolysis)
•
Pirólisis instantánea (flash pyrolysis)
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Comparación de los diversos procesos de pirólisis Procesos
Temperatura
Velocidad de
Tiempo de
Producto
ºC
Calentamiento
residencia
mayoritario
Gases 5s
Coque y
Sólidos horas.
condensables A temperatura
Gases <2s
moderadas,
ºC/s Convencional
Rápido
500
400 a 800
2
>2
500º C, condensables Gases e Instantáneo
> 600
> 200
Gases < 0.5s
hidrocarburos ligeros
Procesos de calentamiento indirecto (Alotérmicos)
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Flujograma del proceso
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En estos sistemas la pirólisis se lleva a cabo en ausencia de aire, sobre material para transformarlo en otros productos más fáciles de tratar.
De esta manera la pirólisis como la gasificación se catalogan como una etapa intermedia en el proceso de tratamiento térmico de los residuos sólidos. Dentro del proceso convencional la temperatura de realización de los mismos es entre 500 a 600ºC, teniendo de esta manera los productos de pirolisis en estado sólido y otra fracción en estado gaseoso.
Debido a la obtención de productos de más facilidad de trato que el original hace que la utilización de esta técnica baya tomando más interés en su uso.
En la etapa final del proceso de pirolisis, los residuos se separan en fracciones que eventualmente deben ser tratadas para valorizar los diferentes productos obtenidos mediante este proceso. Aquí es donde aparecen diferencias importantes entre los diversos procesos industriales, ya que unos optar por enfriar los gases, lavarlos y
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Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis) condensar los aceites y alquitranes para su posterior uso como combustible o materia prima, mientras otros se inclinan por la combustión inmediata de los gases.
El principio de funcionamiento de la pirólisis es bien conocido desde la antigüedad (ha sido y es profusamente utilizado en la industria química). Pero en el campo de tratamiento de residuos es un nuevo concepto que lleva a particularidades que vale la pena resaltar, algunas de ellas son:
•
El residuo puede entrar en el reactor de pirolisis a una temperatura ligeramente
superior a la del ambiento si procede de un secador, ya que en contenido de humedad que no debe sobrepasar el 10%. Esta agua se vaporiza de manera casi instantánea debido a la temperatura reinante en el reactor y a la depresión existente.
•
Debido al requerimiento de ausencia de aire, tanto el reactor de pirolisis como
las válvulas de entrada y salida de material deben ser perfectamente heretizados y estanca, ya que esto permite que se aceleren las reacciones de termo reducción.
•
Debido a la alta temperatura, la materia orgánica se degrada y se convierte en
gases más o menos ligeros. Las moléculas complejas de cadena larga se transforman en otras sencillas más manejables y mucho menos problemáticas desde la vertiente ambiental; otra fracción permanece como materia sólida carbonosa libre de volátiles. Todos los materiales y residuos conteniendo carbono son pirolizables.
•
En los procesos discontinuos, o en aquellos en los que el sólido avanza a lo
largo de un tambor ó horno rotatorio, a medida que aumento a la temperatura se incrementa la cantidad de CO2 y CO (Al ser un proceso exento de oxígeno, los óxidos de carbono se formaran a partir del oxígeno contenido en el combustible).
Durante la fase central de gasificación (de 250 a 4000ºC) se sintetiza metano y otros hidrocarburos ligeros. A la vez también se forman cloruro de hidrógeno (HCl) y sulfuro de hidrógeno (H2S). La cantidad de ácidos generados, en particular el HCl puede paliarse, in situ, con la inyección de compuestos neutralizantes en el reactor. Simultáneamente, y a la máxima temperatura, una parte de la materia orgánica
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Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis) carbonizada da lugar al residuo carbonoso (coque). Esta sustancia a medida que se desplaza a lo largo del interior del reactor de pirólisis hace las veces de recubrimiento interno que protege la pared del reactor de pirólisis contra la corrosión de los gases ácidos. •
La combinación de ausencia de oxígeno y temperatura moderada consigue que
los componentes inorgánicos presentes, en particular los metales pesados, no se puedan volatilizar y pasen a la fracción residual carbonosa.
•
Los contaminantes tóxicos, los metales pesados, son íntegramente transferidos
al residuo carbonoso. Si en etapa posterior, este se vitrifica los metales pasan a formar parte de una sólida estructura vítrea de la que, bajo ningún concepto, puede lixiviar. La hipotética presencia de compuestos tóxicos, halogenados: Dioxinas y Furanos (de difícil síntesis ya que el reactor de pirólisis trabaja en ausencia de oxígeno) se destruirán en la vitrificación, o en el posterior tratamiento de oxidación de los gases de síntesis, por cuanto la temperatura es superior a 1200ºC y el tiempo de residencia de los gases supera los dos segundos.
•
Desde la perspectiva de operabilidad la pirólisis es una tecnología versátil ya
que permite tanto el tratamiento de residuos urbanos como residuos industriales como lodos procedentes del tratamiento de aguas residuales, entre otros. Como ventaja de este proceso se puede destacar la muy baja emisión de partículas. Posibilidad de aplicación al tratamiento de suelos contaminados y los gases de síntesis son fáciles de usar.
Como inconveniente tenemos que parte del residuo original que se transforma en sustancia sólida carbonosa debe enfriarse rápidamente a la salida del reactor para evitar su inflamación espontánea al entrar en contacto con el aire.
Procesos de calentamiento directo (autotérmicos)
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Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis) Las reacciones de termo reducción deben realizarse en un medio químicamente inactivo o preferentemente, en atmósfera reductora ya que cualquier introducción de oxígeno provocaría la combustión de una parte del combustible.
La diferencia básica entre los sistemas directos e indirectos radica en el funcionamiento del reactor. En el caso del proceso autotérmico se inyecta una cantidad de aire que facilita varias cosas como las sgtes:
•
Aumenta la temperatura en el interior del reactor con lo cual la formación de
gases es mucho mayor y proporcionalmente la cantidad de coque es menor.
•
La eficacia térmica del sistema es más elevada, ya que el calentamiento del
reactor de forma indirecta como se lo realiza en los sistemas alotérmicos, supone de una manera importante la tasa de transferencia de calor
•
El inconveniente que tiene este proceso es que existe una mezcla de gases de
pirólisis con los de combustión.
Sistema de Pirolisis Este proceso volatiliza y descompone materiales orgánicos sólidos mediante el calor, no mediante el fuego. Cuando se pirolizan los residuos (al contrario de cuando se queman en un incinerador), se producen restos gaseosos, líquidos o sólidos.
Esta descomposición se produce a través de una serie compleja de reacciones químicas además de procesos de transferencia de materia y calor. Se pueden considerar dos etapas fundamentales dentro del proceso global: primero la pirólisis en sí y segundo el crackeo. Este último a elevadas temperaturas y transforma los productos primarios en compuestos con mayor valor en el mercado.
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Como se ha definido anteriormente, pirólisis es el procesamiento térmico de residuos en ausencia total de oxígeno. Desafortunadamente, hay mucha confusión en la literatura sobre el tema y muchos sistemas llamados pirólisis realmente son de gasificación. Se usan sistemas de pirólisis y gasificación para convertir los residuos sólidos en combustibles gaseosos, líquidos y sólidos. La diferencia principal entre los dos sistemas consiste en que los sistemas de pirólisis utilizan una fuente de combustible externa para conducir las reacciones endotérmicas de pirólisis en un ambiente libre de oxígeno, mientras que los sistema de gasificación se sostienen sin aportes externos y usa aire u oxígeno para la combustión parcial de los residuos sólidos.
Se puede considerar que la pirólisis comienza en horno a los 250 °C, llegando a ser prácticamente completa en horno a los 500°C, aunque esto está en función del tiempo de residencia del residuo en el reactor.
La pirólisis también aparece como paso previo a la gasificación y la combustión.
En la pirólisis pueden obtenerse diferentes productos secundarios útiles en función de la tecnología de tratamiento que se utilice.
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Descripción del proceso de pirólisis Como la mayoría de las sustancias orgánicas son térmicamente inestables se pueden romper, con un calentamiento en un ambiente libre de oxígeno, mediante una combinación de desintegración térmica y reacciones de condensación en fracciones gaseosas, líquidas y sólidas.
Pirólisis es el término utilizado para describir este proceso. Al contrario de los procesos de combustión y gasificación, que son extremadamente exotérmicos, el proceso de pirólisis es altamente endotérmico, requiriendo una fuente de calor externa. Por esta razón, a menudo se utiliza el término destilación destructiva como término alternativo a pirólisis. Para operar se realizan los siguientes pasos:
•
Cargar los materiales.
•
Sellar la cámara y comenzar el ciclo de pirolisis
•
Comenzar a calentar el horno de pirolisis
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•
Más o menos 250ºC los compuesto volátiles de los residuos empiezan a gasificarse.
•
Más o menos 430ºC gasificación completa de todos los residuos.
Los componentes volátiles que se obtienen se trasfieren a una cámara secundaria donde se produce la combustión de los gases calientes y los PIC”s a unos 1000ºC. La cámara primaria se enfría y se separan las cenizas. Las tres fracciones de componentes más importantes producidas mediante pirólisis son las siguientes:
1. Una corriente de gas que contiene principalmente hidrógeno, metano, monóxido de carbono y diversos gases, según las características del material que es pirolizado. Este gas se puede convertir en energía. 2. Una fracción líquida que consiste en un flujo de alquitrán o aceite que contiene ácido acético, acetona, metanol e hidrocarburos oxigenados complejos. A partir estos componentes se pueden fabricar adhesivos, aromatizantes alimenticios, fertilizantes, aditivos para combustibles, agentes para el control de emisión de SOx y NOx, productos para la industria farmacéutica, etc. Con un procesamiento adicional, la fracción líquida puede utilizarse como aceite combustible sintético sustituyendo al aceite combustible convencional número 6. 3.
Un sólido, coque inferior o llamado coque de pirólisis, que consiste en carbono casi puro unido a cualquier material inerte que estuviese presente en los residuos. Es un residuo carbonoso que puede ser utilizado como combustible o para la producción de carbón activo.
TABLA 1: balance de masas para pirolisis Temperatura
Residuos
Gases
Ácidos y
Coque
Masa
ºC
Kg
Kg
alquitranes
Kg
considerada
pirólíticos
Kg
Kg 480 650 820 930
100 100 100 100
12.33 18.64 23.69 24.36
61.08 59.18 59.67 58.70
24.71 21.80 17.24 17.67
98.12 99.62 100.59 100.73
TABLA 2: composición de gas de pirólisis en función de temperatura
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Gas
480 ªC
650 ªC
820 ªC
930 ªC
H2 CH4 CO CO2 C2H4 C2H6 Total
5.56 12.43 33.50 44.77 0.45 3.03 99.74
16.58 15.91 30.49 31.78 2.18 3.06 100.00
28.55 13.73 34.12 20.59 2.24 0.77 100.00
32.48 10.45 35.25 18.31 2.43 1.07 99.99
Existen diferentes tipos de Pirolisis en función de las condiciones físicas en las que se realice. Así, factores como la velocidad de calentamiento, el tiempo de residencia, la presión, etc.,
La carbonización es quizá el proceso de pirólisis conocido desde hace más tiempo de
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Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis) todos los mostrados en el cuadro anterior, y el que más importancia tiene industrialmente para la producción de carbón vegetal. Esta carbonización se puede llevar a cabo en diferentes tipos de instalaciones:
Reactores de Pirólisis Sistemas Convencionales En el caso de pirólisis convencional en continuo, se utilizan equipos rotatorios o de lecho móvil y en algún caso horno de parrilla, dependiendo de cómo se suministre la energía necesaria para la descomposición térmica del residuo, estos reactores pueden ser autotérmicos o alotérmicos.
Los tipos de reactores más comunes en este tipo de proceso son:
o
Horno rotatorio (pirólisis). Funciona a temperaturas relativamente bajas
(400º-600ºC) y puede alimentarse de materiales de gran tamaño. El horno se calienta externamente y los residuos se mezclan y tratan a medida que el horno rota lentamente
o
Tubo calentado (pirólisis) funciona a una temperatura más alta de 800ºC,
los residuos pasan a velocidad uniforme.
o
Contacto superficial (pirólisis), adecuada para residuos que han sido
tratados previamente, ya que se requiere una alimentación de materiales de tamaño pequeño.
Sistema avanzado El proceso mas recomendado para este tipo de pirolisis es el de lecho fluidizado. Debido a que la producción de carbón activo se constituye la salida más interesante para este tipo de pirolisis.
Ya que en este tipo de de pirolisis existen dos etapas:
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Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis) 1. Por calentamiento por combustión de un solidó inerte que es usado como uno de los lechos el cual es usado para la transferencia de calor hacia la materia pirolizar
2.
La otra etapa consiste en los sistemas de polvo en suspensión con el reactor
neumático como exponente.
Principio de funcionamiento El principio de funcionamiento de estas plantas de termo pirólisis es la descomposición pirolítica de la materia orgánica, que desaparece en forma de gases no contaminantes. El funcionamiento es discontinúo con carga, pirólisis y descarga sucesivas. El material a tratar se carga en el carro, fuera del horno, y se introduce en el interior del mismo cerrando las puertas. Se inicia el ciclo con el encendido y calentamiento del reactor térmico hasta una temperatura de unos 800º C. Este valor es regulable según las aplicaciones. Si se pretende utilizar el gas obtenido no se acciona el reactor, quedando en reserva para eliminar posibles gases no utilizados. De forma automática se produce el calentamiento de la cámara de termo pirólisis, como consecuencia del calor desprendido por el reactor térmico y el proporcionado por un quemador o las resistencias hasta una temperatura de unos 450º C, variable según los productos a tratar. La descomposición pirolítica de la materia orgánica se realiza en una atmósfera escasamente oxigenada y a una temperatura óptima. En el reactor térmico el quemador secundario, o la acción de unas resistencias, provoca la combustión de los humos producidos, saliendo por la chimenea gases limpios, que se conducen a un recuperador de calor a directamente a la chimenea. Eventualmente el equipo puede diseñarse para la utilización de los gases de la descomposición pirolítica como combustible. Si se desea utilizar los gases, en un generador eléctrico u otro uso, o se utilizan para auto alimentar el proceso se envían a un gasómetro previo enfriamiento. El proceso está regulado por un microprocesador. Un sistema de seguridad con nebulización de agua se activa en caso en caso de temperatura excesiva en la cámara de termo pirólisis.
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Sistema de nebulizacion A fin de mantener la temperatura de ejercicio de la cámara de Pirólisis bajo el limite máximo, el horno está dotado de un sistema de seguridad de nebulización de agua. Los surtidores de pulverización están dispuestos en el interior de la cámara, de manera que intervienen uniformemente sobre toda la masa del material que se esta tratando. La uniformidad de distribución del agua pulverizada asume particular importancia en el trabajo de recogida de residuos que se originan en el proceso.
Tratamiento de gas y residuos Los sólidos que resultan de estos procesos contienen metales y carbono. La pirólisis produce significativamente más carbono que la gasificación. Las partículas grandes se descargan del proceso en la ceniza, que queda en el fondo. Las partículas más ligeras se separan y extraen por filtraje. Los metales volátiles, como el plomo, el estaño, el cadmio y el mercurio se condensan cuando se enfría el gas.
La recuperación de energía Una de las ventajas de la pirólisis y la gasificación es que el gas de síntesis que producen se puede utilizar de diversos modos:
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•
El gas de síntesis se puede quemar en una caldera para generar vapor que puede alimentar una turbina para generar electricidad y proporcionar calefacción. La utilización del calor y la generación de electricidad aumenta la eficiencia energética general del sistema.
•
El gas de síntesis se puede usar para alimentar un motor a gas o una turbina a gas, aumentando la eficiencia de la producción de electricidad, sobre todo en los sistemas combinados de calor y energía (CHP).
•
El gas de síntesis también se puede usar como materia prima química si la planta de tratamiento está situada cerca del usuario final.
Algunos procesos consideran el residuo de carbón como un deshecho residual que requiere ser eliminado, mientras que otros reconocen que el residuo de carbón contiene una cantidad significativa del carbono original de los residuos. Otros procesos consideran el residuo de carbón como un material reciclable (negro de carbón) para los cuales puede haber mercados.
Para que el gas de síntesis se pueda usar en la producción de energía, será necesaria una limpieza que elimine las partículas y los alquitranes condensables.
Cuando se produce la pirólisis y combustión de materiales durante un incendio, el Gases Combustibles efectoCALOR primario sobre las personas será la hipoxia o falta de oxígeno, al cual habrá de Gases CO, H2, CO2 , CH4, sumarse la toxicidad de los compuestos formados. H2S.HCL, NH3.......
APLICACIÓN DE LA PIROLISIS
Sólido Orgánico
Hidrocarburos
Alquitrán
TRATAMIENTO DE RESIDUOS Los principales hitos del proceso son:Semicoque
Partículas Sólidas Carbonosas (char)
Trituración: preparación y homogenización de los residuos. Esta es una de las particularidades que distingue estos procesos de la incineración en masa.
Cenizas Ingeniería Petrolera
SECADO
PIROLISIS
GASIFICACION
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Secado: No conviene que los materiales entren en el pirolizador con una humedad > al 10%.
Pirolisis: La materia seca se introduce en un reactor normalmente cilíndrico. El tiempo de residencia del sólido y la temperatura dependerá del tipo de residuo a tratar.
Tratamiento de los productos: los gases y el sólido. Los gases de síntesis se lavan para ser aprovechados energéticamente. La fracción sólida (char) es también combustible. Se puede tratar como tal en hornos de clinquer o vitrificarlos junto con otros componentes. La realidad ha demostrado que pese al tratamiento de la fracción carbonoso como indica la figura se tritura y se lava para poder ser valorizado, las posibilidades son escasas. Además hay que tener presente que el char debe enfriarse a la salida del pirolizador.
Pirólisis de RSU (Residuos Sólidos Urbanos) El RSU es un residuo complejo en el que hay una cantidad notable, próxima al 15%, de material inerte que debe retirarse antes de entrar en el reactor de pirolisis. El cartón, aunque presenta mejores tasas de conversión energética por combustión directa, suele dejarse en muchas ocasiones ya que absorbe parte de la humedad que contiene la fracción fermentable y homogeneiza el resto evitando de esta manera la inserción de un costoso proceso de secado antes de la trituración.
El convertidor pirolítico se alimenta a partir de los residuos procedentes de un almacén
regulador y para su calentamiento emplea parte del gas de síntesis
generado. La Figura 7.9 muestra el esquema de principio del conjunto.
Como muestra la figura la planta trata RSU en masa. Por lo tanto la primera providencia consiste en instalar una planta de selección para separar, en lo posible la fracción no orgánica: metales y vidrio. El cartón es un caso un poco especial ya que contiene una gran cantidad de «filler» y, a veces se separa y otras solo parcialmente y de paso se potencia su propiedad como absorbente.
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Figura 7.9.
Esquema de conjunto de un convertidor pirolítico para RSU.
Tabla 3: Distribución de productos para la pirólisis de RSU . Productos % masa
gas producido
Temp.C gases líquidos sólidos Nm3/ Kg. MJ/Kg 500
12.3
650
18.6
800 900
23.7 24.4
61.1 59.2 59.7 58.7
24.7
0.114
1.39
21.8
0.166
2.63
17.2
0.216
3.33
0.202
3.05
17.7
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Problemas operacionales con sistemas de pirólisis para RSU Un sistema completo de pirólisis en Estados Unidos, construido en El Cajón, California, el Occidental Flash Pyrolysis System no logró su principal meta operacional (la producción de un aceite de pirólisis vendible) y cerró después de solamente dos años de funcionamiento. En la Figura 7.10 se nuestra un diagrama de flujo simplificado del proceso. El sistema primario empleó dos etapas de trituración, clasificación neumática, cribado y secado para producir una fracción orgánica muy fina. También se recuperaron los metales férreos, el aluminio y el vidrio utilizando separación magnética, separación por corrientes de Foucault y flotación, respectivamente. La parte del sistema que implicaba la pirólisis consistió en varios lazos interconectados de proceso.
Los productos finales eran aceites pirolíticos, gases, coque inferior y ceniza. Como era de esperar con un sistema tan complejo, se encontraron numerosos problemas operacionales. En un análisis del sistema, el fracaso final se atribuyó a varios factores, incluyendo los siguientes:
1. Imposibilidad del sistema primario para cumplir con las especificaciones de pureza para el aluminio y el vidrio, lo que afectó a la rentabilidad del sistema.
2. Incapacidad del sistema para producir _ un aceite de pirólisis vendible. El aceite producido tenía un contenido en humedad del 52 por 100, no el 14 por 100 pronosticado con los resultados de una planta piloto. El exceso de humedad en el aceite disminuyó el contenido energético a 8.374 kJ/Kg., frente a los 2 -1-.166 kJ/Kg. pronosticados en los ensayos de la planta piloto.
La causa principal del fracaso de la tecnología de pirólisis en el pasado parece haber sido la complejidad inherente de los sistemas y la falta de apreciación, por parte de los diseñadores de los sistemas, de las dificultades asociadas a la producción de una alimentación uniforme a partir de residuos sólidos urbanos.
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Diagrama de flujo simplificado del Occidental Flash Pyrolysis System.
No obstante, aunque algunos sistemas como el Occidental Flash Pyrolysis System no obtuvieron éxitos comerciales, aportaron datos valiosos sobre el diseño y el funcionamiento que puede ser utilizado por los diseñadores en el futuro.
Para el correcto funcionamiento de cualquier sistema, y la pirólisis en particular, es preciso partir de una recogida selectiva efectiva. De lo contrario no debe achacarse el fracaso a la tecnología en si misma (muchas plantas de compostaje y metanización han tenido que cerrar por el mismo motivo). El otro factor importante a tener en cuenta es de índole económica. Hay una tendencia a internalizar los costes de tratamiento a base de conseguir que los subproductos
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Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis) obtenidos en las plantas, como la citada, sean de alto valor. Esto supone que la instalación sea muy sofisticada y su coste de implantación, mantenimiento y explotación elevado por lo que, al menor contratiempo la planta tiene problemas económicos.
Pirólisis de plásticos La pirólisis es otra posibilidad además de la combustión o incineración, en las que de una forma u otra se aprovecha el contenido energético de los residuos plásticos en general y, naturalmente, de los contenidos en los desechos urbanos.
En los últimos tiempos se han llevado a cabo un sinfín de investigaciones y pruebas sobre la pirólisis de plásticos. El punto de partida de todas ellas es el hecho de que los plásticos, todos ellos sólidos, están compuestos por largas cadenas poliméricas que por la acción de la temperatura se descomponen y se obtienen compuestos de cadena más corta. Estos suelen ser líquidos y, en una parte muy importante, gases. Los plásticos como sustancias de alto peso molecular no permiten ser purificados mediante procesos como la destilación, extracción, o cristalización. Solamente pueden ser aprovechados mediante ruptura de las macromoléculas en fragmentos más pequeños.
En vistas al aprovechamiento energético, cuanto mayor sea la cantidad de gas en detrimento de la fracción líquida y, sobre todo sólida, tanto mejor. En líneas generales se procura que la temperatura sea elevada para lograr la máxima cantidad de gases. La Tabla 7.9 reproduce el estado del arte de la técnica, haciendo hincapié en el polietileno (PE) ya que es el plástico más ensayado por ser el más usado. Los ensayos se han realizado utilizando reactores de lecho fluidizado, con diversos tipos de medio fluidificante.
Tabla 4: Productos de pirolisis para diferentes tipos de plásticos. PE
Material Medio
Tem eratura C
PE
N2
735
PE
Crak-
C-gas
735
785
PS Crak-
PVC Crak-
735 735 0,03 0,7
Hidrogeno
0,3
0,5
1,9
Metano
7,0
16,2
16,7
0,3
2,8
25,5
10,3 '`
0,5
2,1
Etileno
35,1
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Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis) Etano Propano Isobuteno 1,3 Butadieno PentanoBenceno Tolueno Xileno Estireno Naftaleno Aromáticos Char ClH TOTAL (%)
36 22,6 8,7 10,3 0,01 0 01 0,05 0,53 0,4 98,6
54 9,4 1,1 2,8 2,0 12 2 3,6 1,1 11 0,3 17,3 0,9 99,4
41 6,4 2,3 2,5 6,1 74 5,1 3,3 "0 6 0,8 12,1 18,3 97,9
0 04 0,02 0,01 21 4,5 1,0
04 0,4
35 1,1 0,2
71 0 0,8 15,0 0,3 '95.6
3,1 19,3 8,8 56 3 98,7
Como muestra la tabla la tasa de transformación es siempre superior al 95 % y la oxidación de los productos de síntesis no ha de suponer, en principio, grandes problemas. Sin embargo, desde el punto de vista ambiental la formación de cantidades notables de benceno, tolueno, xileno e hidrocarburos aromáticos de cadena alta demuestra que la pirólisis tiene sus inconvenientes a la hora del reciclaje de los plásticos por esta vía.
Una parte del propio gas de síntesis se usa para el calentamiento del proceso. Para llevar a cabo estos ensayos se han usado, preferentemente, reactores de lecho fluidizado ya que para esta utilización permiten unas prestaciones superiores principalmente por lo que hace referencia a la isotérmica del reactor, lo que renunda en una homogeneidad en los productos de síntesis. Otras líneas de investigación se han realizado a base de hornos rotatorios.
La Figura muestra el esquema de la planta piloto para la pirolisis de plásticos mezclados. El corazón de la planta es un reactor de lecho fluidificado con un diámetro interior de 450 mm. Se emplea para la pirolisis de plásticos un lecho fluidificado de arena de cuarzo con una temperatura de 500-900 °C. Los plásticos alimentan el reactor a través de una puerta de doble trampilla o a través de un tornillo sin fin refrigerado.
Se usa el gas de pirolisis precalentado a 400'C para crear el torbellino en el lecho fluidificado. La entrada de calor tiene lugar, indirectamente, a través del calor de radiación de las toberas de combustión que son calentadas, a su vez, mediante el gas de pirólisis.
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Los gases de salida se dirigen hacia un intercambiador de calor. Los productos de los gases que abandonan el lecho fluidificado se separan del carbón residual y del polvo fino que les acompaña en un ciclón y se enfrían a temperatura ambiente mediante un producto aceitoso en un refrigerante. El flujo de gas se dirige, directamente, A través de dos columnas de condensación rellenas.
Las fracciones de aceite condensado se llevan a cabo en dos columnas de destilación empleando la fracción que hierve a 135-145 °C (principalmente xilenos) como medio de enfriamiento. La fracción que hierve entre 50-135 °C (principalmente benceno y tolueno) es el producto aceitoso de bajo punto de ebullición; la fracción que lo hace a 145-300 °C es el producto aceitoso de alto punto de ebullición. También se producen alquitrán o breas con un alto intervalo de punto de ebullición así como dos fracciones, una rica en tolueno y la otra en benceno.
La Tabla 5 muestra las condiciones de pirólisis dé tres ensayos usando las mezclas de plásticos residuales en la planta de Hamburgo-Bergedorf. El material de la alimentación fue granulado a un tamaño de 0,5-1 cm. El tiempo de residencia de las partículas de polímero sólido fue de 10 segundos; el tiempo de residencia del gas en el lecho fluidificado fue de 5 segundos. El HCl que provenía del PVC fue adsorbido químicamente sobre cal o dolomita que se introdujo en la alimentación del lecho fluidificado. La tabla contiene también la cantidad de arena de cuarzo para el lecho fluidificado y el xileno utilizados en los refrigeradores para el enfriamiento. El residuo es una mezcla de arena de cuarzo, dolomita, cloruro cálcico procedente del PVC y la cal y dolomita y negro de carbono.
La fracción gaseosa, como se muestra en la Tabla 7.11, contiene principalmente óxidos de carbono (de la cal, dolomita y papel), metano, etano, eteno, y propeno. La composición en HCl procedente del PVC en los gases es menor de 5 ppm.
Mediante la adición de cal al lecho fluidificado, el ácido clorhídrico procedente de la reacción de eliminación autoctitalítica del PVC se puede retener químicamente. El clo-
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Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis) ruro cálcico que se forma en el proceso, sin embargo, tiene tendencia a atascar el lecho fluidificado a altas concentraciones. Por lo tanto es mucho mejor eliminar el HCl gaseoso en una etapa preliminar, a 300-400 °C. en una extrusora de tornillo (estas extrusoras son especiales y costosas), antes de que tengan lugar extensas reacciones de craqueo mediante el proceso que se conoce como extrusión degradativa. El HCI gaseoso que se obtiene está disponible entonces para darle u11 uso posterior.
Composición del gas de pirólisis de mezcla de plásticos. Temperatura de pirolisis 680 Hidrógeno 0,667 CO 8 376 C02 20,418 Metano 16,734 Eteno 18,383 Etano . 10,118. Propeno Propeno 13,758 Propano 1,668 Butenos 4 603 1,3-Butadieno 1,896 1,3-Pentadieno 0,105 1-Pentene 0 555 Cidopentadiene 0,582 Isopropeno 0,302 1-Hexeno 0,145 HCl <5ppm Otros compuestos 1,691 Poder Calorífico (Ml/Kg.) 35,1
735 0,683„ 14 155 20,807 22,661 20,69 7,189 7,797 0,54 1 515 1,554 0,033 0 124 0,535 0,202 0,021 <5 ppm 1,496 33,0
790 1,868 6 316 3,38 46,491 25,994 7,765 3,311 0,222 0 375 1,221 0,017 0 17 0,267 0,014 0,004 0,772 1,771 45,4
Pirólisis de neumáticos El reciclado de residuos de caucho se ha convertido en una necesidad actual creciente. El volumen de neumáticos desechados anualmente en diversos países se estima en los siguientes valores: 2.3 millones de toneladas (=250 millones de neumáticos) en EEUU, 1.5 millones de toneladas en la U.E (de composición media mostrada, en %)(unas 300.000 en España), 0.5 millones de toneladas en Japón, etc.
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Figura 7.12 Composción media de los neumáticos europeos
Acero ; 20%
Negro de humo; 26%
Textil; 4%
Caucho ; 46%
Otros ; 2%
La mayoría de estos residuos se destina a vertederos y dado que los neumáticos se degradan con dificultad y además presentan un peligro latente de incendio, las autoridades ambientales van prohibiendo el vertido. Así pues la valorización energética se perfila con una buena alternativa.
La compleja naturaleza de los neumáticos usados hace que su reciclado sea muy complicado. Las dos características más problemáticas de dichos residuos son las siguientes. Por un lado, se trata de polímeros que están químicamente reticulados o entrecruzados, por lo que son materiales que no funden por calor, luego no pueden ser directamente remoldeados. Por otro lado, se trata de una compleja mezcla de componentes muy diversos, entre los que se incluyen diversos tipos de caucho, negro de humo, antioxidantes, cargas, cordones, refuerzos de acero, etc.
Desde hace algunos años se viene considerando e investigando la posibilidad de reciclar químicamente, mediante el proceso de pirolisis, los neumáticos de desecho. En la pirolisis se produce la descomposición de la parte orgánica volátil del neumático (fundamentalmente el/los polímeros o cauchos). Se generan así productos de bajo peso molecular, líquidos o gaseosos, que pueden ser útiles como combustibles o como fuente de materias primas químicas. Los componentes inorgánicos (fundamentalmente acero) y la materia orgánica no volátil (fundamentalmente negro de humo), permanecen teóricamente inalterados tras el proceso, y por lo tanto se pueden reciclar en aplicaciones de valor.
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Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis) La figura 7.13 muestra un balance másico habitual del proceso de pirolisis de neumáticos. El balance que muestra la figura es desalentador desde la óptica del reciclador. Más del 52% sólido y el 31% son aceites pirolíticos. Todo ello, a excepción del acero no tiene otra vía de valoración, económicamente viable, que la incineración.
Pirolisis de residuos de madera La madera, y los residuos de madera, son un material renovable muy abundante, por tanto se ha intentado aplicar todas las técnicas disponibles para sacar el mejor provecho de su tratamiento. Las proporciones relativas
de gases, productos
condensables y char varían con las condiciones de operación y con la composición de la materia prima utilizada, dada la diferente proporción de los constituyentes básicos.
En cuanto el producto sólido, cabe distinguir entre el carbón activo y el carbón vegetal. El segundo con aplicación fundamentalmente como combustible y de carácter reductor, se obtiene a temperaturas moderadas y sin el empleo de agentes activantes. La pirolisis a niveles térmicos superiores y particularmente en atmósfera de CO 2, vapor de agua o después de un tratamiento químico previo mediante ácidos y sales, conduce a sólidos de alta porosidad y superficie especifica, lo que determina su utilización como adsorbentes. Los compuestos volátiles resultantes de la pirolisis de la madera abandonan el horno en forma de gases y vapores condensables.
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Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis) Los segundos constituyen la fracción liquida de la pirolisis, de constitución compleja, con alta representación, fundamentalmente de alcoholes, ácidos y aromáticos, en proporciones que no justifican su recuperación, excepto en el caso de algunos de los componentes mayoritarios de la fase acuosa. La fracción no recuperable puede usarse como combustible con un poder calorífico entre 6000 y 7000 kcal/kg.
La fase acuosa constituye la fase más ligera de las fracciones en que puede separarse el conjunto del producto líquido de la pirolisis. En ella, denominada “fracción piroleñosa” o “ácido piroleñoso” se han identificado numerosos compuestos, entre los que cabe destacar, en términos cuantitativos, ácidos acético y fórmico, metanol, etanol, acetaldehído, furfural y acetona.
Fabricación de carbón activo Los carbones vegetales son el primer eslabón para la fabricaron de carbones activos. Se escribe en plural ya que existen infinitas calidades de carbones activos que dan lugar a otras tantas aplicaciones.
El carbón activo se caracteriza por tener una gran superficie específica y ello proporciona una gran adsorción. El material así obtenido se usa en mascarillas, plantillas para pies, filtros para aguas, filtros para aire acondicionados, material pulverulento adsorbente, filtros para industria química, etc.
La característica más importante es la superficie específica. En el caso del carbón vegetal se parte de superficies específicas de 160 m2 /g hasta 400 m2 /g. Como ejemplo, 1.6 gramos de carbón activo pueden adsorber hasta 180 cm 3 de amoniaco. Para mejor entendimiento se ha investigado y puede ser posible fabricar carbón activado mediante la pirolisis del bagazo de la caña de azúcar del Ingenio Azucarero GUABIRA esta propuesta presenta en un pequeño proyecto.
La
producción
de
desechos
de
biomasa
en
particular
de
biomasa
cañera
tradicionalmente se incineran o almacenan, representando un agente contaminante del medio ambiente. La incineración es uno de los métodos tradicionalmente usados para el tratamiento de los residuos sólidos debido a la significativa reducción del volumen de estos, algunos especialistas sugieren que el uso de grandes plantas de incineración
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Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis) han comenzado a declinar y unas alternativas más favorables han de ser utilizadas. Una de tales alternativas que con mayores perspectivas se presenta es la combustión, pirólisis y gasificación con los cuales junto al proceso de reducción de volumen de los desechos sólidos se recibe energía o subproductos utilizables en otros procesos industriales. La combustión representa una buena variante si coinciden los consumidores energéticos con el lugar de almacenamiento y producción de la biomasa, pero resulta poco recomendable si es necesario transportar el portador energético a lugares lejanos del lugar de almacenamiento y procesamiento térmico de la biomasa, dado la baja densidad que encarece extraordinariamente la transportación siendo recomendable en estos casos la utilización de la gasificación o la pirólisis, donde se transportaría el gas o el carbón. Por otro lado la pirólisis y la gasificación de biomasa permiten organizar mucho más eficientemente la producción de energía y sobre todo permite lograr tecnologías más limpias con menos impacto agresivo sobre el medio ambiente.
Reglamento Ambiental Referidos a la Pirólisis.ART 56.- Para el manejo de desechos aceitosos, que se originen en los fondos de tanques, lodos de limpiezas de líneas, solventes y aceites de motor, la responsable debe prohibir la disposición de estos en las fosas, superficie de la tierra o cuerpo de agua, debiendo presentar un plan de disposición final, en el EEIA, para su revisión y aprobación ART 74.- Para el manejo de desechos sólidos y líquidos, la responsable debe g) Eliminar los desechos provenientes de la limpieza de los ductos, mediante el uso de tratamientos
de
bioremediación
o
disponiéndolos
únicamente
en
ubicaciones
aprobadas para rellenos sanitarios ART 80.- Para el manejo de desechos y residuos sólidos y líquidos, la responsable debe aplicar los principios aceptados para el manejo de desechos en lo que se refiere a la reducción uso repetido, reciclaje y recuperación, para reducir la cantidad de desechos generados como resultado de las operaciones industriales. Los desechos sólidos y líquidos deberán ser manejados y dispuestos desde el punto de origen hasta su disposición final, para cumplir con los limites establecidos en el reglamento en materia de contaminación hídrica y de gestión de residuos sólidos de l a ley del medio ambiente 1333 y los requerimientos estipulados por esta reglamentación
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Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis) ART 83.- Por razones de seguridad industrial, la responsable no deberá proceder a la incineración de desechos dentro de instalaciones industriales en fosas de incineración abiertas, en barriles o áreas abiertas. ART 85.- Para el manejo de desechos sólidos y líquidos, la responsable debe b) Prohibir la descarga de los desechos sólidos sin tratamiento, emergentes de los procesos de industrialización, incluyendo la purga de torres de enfriamiento, glicoles, solventes, ácidos y cáusticos, aceites lubricantes usados y otros desechos de procesos especializados, en los rellenos de tierras, en las fosas del lugar, sobre la superficie del terreno o en los cuerpos de aguas superficiales
VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA PIROLISIS Las principales ventajas son:
-
Es un proceso controlable por definición ya que las reacciones son endotérmicas.
-
Determinados compuestos son recuperables a partir del residuo carbonoso.
-
El volumen de residuo
-
Los vapores condensables de valor económico, pueden ser recuperados.
-
El gas, volátiles, se suele usar como combustible.
es reducido significativamente.
PREVENCIÓN Cuando puedan pasar productos peligrosos de la pirolisis a los locales de trabajo, deberá protegerse a los trabajadores/as por medio de ventilación por aspiración o con otras
medidas
apropiadas
a
las
sustancias
peligrosas
específicas.
Del mismo modo, deben tomarse precauciones en el almacenamiento de materiales, cuando son inflamables, tóxicos o corrosivos en función del problema en particular.
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Tratamiento Térmico de Residuos Sólidos (Pirolisis)
Los principales inconvenientes son:
-
Parte de la energía del residuo queda retenida en el residuo carbonoso (coque).
-
Los gases y, sobre todo, los vapores deben ser destruidos correctamente.
-
Gran cantidad de coque de difícil valorización.
RIESGOS Los riesgos para la salud derivados de la acción pirolítica pueden asociarse, en su mayoría, a los materiales tóxicos o corrosivos que se forman durante el proceso dependen en gran parte de la temperatura de pirolisis. Existen riesgos de pirólisis accidental o incidental, con el posible desprendimiento de efluentes muy tóxicos. Son especialmente peligrosos los polímeros fluoro-carbonados, los de poliéster y los de poliuretano. La velocidad de la pirólisis efectiva y la cantidad de material de partida, son muy importantes en relación con las concentraciones de gases tóxicos y vapores que pueden alcanzarse.
CONCLUSIONES. Como conclusiones de todo lo que se ha visto hasta ahora y haciendo referencia tan sólo al proceso de pirólisis se puede decir que sería un sistema de reaprovechamiento de residuos sólidos, bueno, debido a que la emisión de contaminantes a la atmósfera es mucho menor que si se utilizara el sistema alternativo y que en la actualidad está implantado, el de incineración. Este proceso presenta una serie de alternativas con relación a la reutilización de componentes que al mismo tiempo que suponen un ahorro en materias primas implican una actitud más respetuosa con el medio ambiente. Algunas de estas alternativas son: - Pirólisis en condiciones controladas que nos permiten obtener compuestos orgánicos valiosos como el tolueno y xileno, así como negro de humo y carbón activo, producto de todos ellos de valor añadido. - Reutilización de los líquidos y gases combustibles obtenidos en el proceso en autogeneración eléctrica mediante sistemas de motores y turbinas.
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